聲波測井?dāng)?shù)據(jù)壓縮算法的研究與實現(xiàn)

1、聲波測井?dāng)?shù)據(jù)壓縮算法的研究與實現(xiàn)蘇揚1， 曹芳彤1， 蘇彤2（1.西安科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，西安710054；2.達(dá)竹煤電集團(tuán)， 四川達(dá)州 635000）摘要：聲波測井會產(chǎn)生龐大的數(shù)據(jù)量，當(dāng)測井電纜數(shù)據(jù)傳輸速率較低而無法滿足實時傳輸要求時，可采用存儲式儀器對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行井下存儲。為了減小儀器的存儲壓力，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理，為了提高壓縮比從而增大數(shù)據(jù)存儲量，本文在經(jīng)典的LZW壓縮算法基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出一種基于MED預(yù)測的LZW數(shù)據(jù)壓縮系統(tǒng)，并采用OK6410微處理器及Linux操作平臺，完整實現(xiàn)該系統(tǒng)對聲波測井?dāng)?shù)據(jù)的壓縮、存儲、傳輸以及數(shù)據(jù)解壓恢復(fù)功能。系統(tǒng)測試和實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)的

2、數(shù)據(jù)壓縮比達(dá)到30%，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無損壓縮，系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，因此基于MED預(yù)測的LZW數(shù)據(jù)壓縮系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法可在聲波測井儀中進(jìn)行推廣應(yīng)用。關(guān)鍵字：聲波測井；LZW壓縮；MED預(yù)測；微處理器Research and Implementation of Acoustic Logging Data Compression AlgorithmSu Yang1，Cao Fangtong1，Su Tong2(1.School of Communication and Information Engineering ，Xian University of Science and Technology，X

3、ian 710054，China;2. Dazhu Group of Electricity and Coal, Dazhou 635000, China)Abstract: Acoustic logging commonly produces a large amount of data, which results in the difficulty of real-time data transmission when the transmission rate of logging cable is low. In this case the data can be stored do

4、wn-hole by using logging instrument of storage type, and acoustic data need to be compressed for the reason of reducing storage pressure of logging instrument. This paper presents a set of data compression system using LZW algorithm integrating with MED prediction with the aim of further promoting d

5、ata compression ratio in order to expand the data storage amount. The proposed system was implemented on OK6410 microprocessor and Linux operating platform, which totally realized the functions of acoustic logging data compression, data storage, data transmission and data decompression. The test and

6、 experimental results prove that the data compression ratio of our presented system can be up to 30% with the lossless function, which can be applied in acoustic logging tools with stable and reliable performance.Key words: acoustic well logging; LZW compression; MED prediction; microprocessor0 引言 作

7、者簡介：蘇揚（1972-），男，四川達(dá)州人，工學(xué)博士，副教授，主要從事信號處理和嵌入式系統(tǒng)的研究。一種技術(shù)1。測井的方法和技術(shù)有很多，如核磁測井技術(shù)、電阻率測井技術(shù)、電纜地層測井技術(shù)、聲波測井技術(shù)等，其中聲波測井技術(shù)已成為測井技術(shù)的主流。由于聲波測井會產(chǎn)生龐大的數(shù)據(jù)量，當(dāng)其要求的數(shù)據(jù)傳輸率過高而無法實時傳輸時，可采用存儲式儀器對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行井下存儲。為了減小儀器的存儲壓力，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理。本文以基于ARM11架構(gòu)的Samsung S3C6410嵌入式Linux開發(fā)板作為平臺，通過設(shè)計數(shù)據(jù)壓縮算法并運行壓縮程序，實現(xiàn)聲波測井?dāng)?shù)據(jù)的壓縮，為有限存儲容量下聲波測井儀的井下數(shù)據(jù)存儲奠定了基礎(chǔ)。

8、最后在地面通過基于Socket通信的網(wǎng)絡(luò)通信方式實現(xiàn)壓縮數(shù)據(jù)的傳輸和提取，并在上位工控機(jī)中實現(xiàn)數(shù)據(jù)解壓和壓縮性能分析。1聲波測井?dāng)?shù)據(jù)壓縮系統(tǒng)總體設(shè)計Samsung ARM11處理器S3C6410 是一款高性價比微處理器，它廣泛應(yīng)用于移動電話和通用處理等領(lǐng)域2，OK6410 開發(fā)板則基于S3C6410 處理器制作。本文選用OK6410開發(fā)板作為系統(tǒng)實現(xiàn)的處理板，處理板上包含有豐富的硬件資源，能夠完全滿足系統(tǒng)的硬件設(shè)計要求。鑒于Linux系統(tǒng)接口驅(qū)動豐富、內(nèi)核小、可移植性好、微內(nèi)核直接提供網(wǎng)絡(luò)支持、支持文件系統(tǒng)等特點3，系統(tǒng)采用在Linux系統(tǒng)下實現(xiàn)聲波測井?dāng)?shù)據(jù)壓縮。聲波測井?dāng)?shù)據(jù)壓縮系統(tǒng)的搭建從總

9、體上分為下位機(jī)（OK6410開發(fā)板）與上位機(jī)（工控機(jī)）兩部分。下位機(jī)實現(xiàn)采樣后的離散聲波測井?dāng)?shù)據(jù)壓縮、壓縮數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)發(fā)送，上位機(jī)則實現(xiàn)對壓縮數(shù)據(jù)的接收和解壓恢復(fù)，并向下位機(jī)發(fā)送控制信息，實現(xiàn)人機(jī)交互。圖1 系統(tǒng)總體框圖2數(shù)據(jù)壓縮算法聲波測井信號是一種非平穩(wěn)信號，對聲波信號進(jìn)行采樣，采樣點在時間和空間上存在一定冗余，即存在信息冗余。單獨使用LZW算法將采樣后得到的離散聲波數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，不能獲得較好的壓縮效率。如果首先對這些采樣點進(jìn)行預(yù)測，通過對實際值和預(yù)測值之間的預(yù)測誤差進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮，則可以進(jìn)一步提高壓縮效率。本文所提出的聲波測井?dāng)?shù)據(jù)無損壓縮新算法的流程如圖2所示。首先對原始的聲波測井?dāng)?shù)據(jù)運

10、用MED預(yù)測方法對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測，將預(yù)測殘差用LZW 編碼，得到最終的壓縮數(shù)據(jù)，解壓縮為壓縮算法的逆過程。圖2聲波測井?dāng)?shù)據(jù)壓縮算法流程圖2.1 MED預(yù)測中值邊緣檢測MED（Median Edge Detector）預(yù)測模型是LOCO-I/JPEG-LS算法中采用的預(yù)測方法，在連續(xù)色調(diào)靜態(tài)圖像壓縮中已成為主流算法之一4。由于聲波測井?dāng)?shù)據(jù)是一維數(shù)據(jù)，需要考慮如何將二維MED預(yù)測模型運用到聲波測井?dāng)?shù)據(jù)的預(yù)測中。假設(shè)聲波測井?dāng)?shù)據(jù)為當(dāng)前采樣點的實際值，為其通過MED預(yù)測后的預(yù)測值，、為歷史采樣點實際值，如果將二維MED模型預(yù)測方法運用到一維數(shù)據(jù)的預(yù)測中，則當(dāng)前采樣點預(yù)測值可以表示為5：(1)如式

11、（1）所示，對于需要預(yù)測的當(dāng)前采樣點來說，假設(shè)其預(yù)測值為，對于采樣點以前的三個歷史已知點來說，如果在這一個小區(qū)域內(nèi)，這三個歷史采樣點呈減小趨勢，則選擇采樣點之前兩個采樣點的最小者作為其預(yù)測值；如果在這一小區(qū)域內(nèi)，這三個歷史采樣點呈增大趨勢，則選擇采樣點之前兩個采樣點的最大者作為其預(yù)測值；否則，預(yù)測值為。對于聲波測井?dāng)?shù)據(jù)來說，數(shù)據(jù)間有相關(guān)性，存在著一定的冗余，經(jīng)過MED預(yù)測后，將實際值與預(yù)測值之間的差值即預(yù)測誤差作為待壓縮數(shù)據(jù)。這樣在壓縮數(shù)據(jù)之前就已減小了數(shù)據(jù)之間的冗余。2.2 LZW算法1984年Terryweleh首次提出了LZW算法，它是LZ78算法的變種6。LZW算法是不斷查詢字典的算法

12、，輸入數(shù)據(jù)流中會出現(xiàn)重復(fù)字符，按照數(shù)據(jù)這種特點，用字典中存儲的字符串來不斷替換后續(xù)輸入的同樣字符串，這就減少輸入的數(shù)據(jù)量，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)壓縮7?？梢钥闯觯琇ZW算法的基本原理是使用簡單字符串替換復(fù)雜字符串，從而達(dá)到數(shù)據(jù)壓縮目的。查詢字典是在數(shù)據(jù)壓縮過程中不斷建立并完善起來的，體現(xiàn)了字符串和輸出編碼間一一對應(yīng)的關(guān)系，而壓縮數(shù)據(jù)的過程就是輸入的字符不斷查詢字典并依次輸出壓縮編碼的過程。LZW算法無需掃描輸入的數(shù)據(jù)流統(tǒng)計字符出現(xiàn)的概率，這就大大減小存儲器的存儲壓力，只需建立一個字典，輸入字符不斷查詢字典，根據(jù)字符重復(fù)性而完成數(shù)據(jù)壓縮。其編碼流程如圖3所示。圖3 LZW壓縮算法流程圖LZW算法實現(xiàn)的具體步

13、驟如下：STEP1：初始化字典和前綴K；STEP2：讀入下一個字符W；STEP3：判斷K+W是否在字典中；1)如果“是”：更新前綴K=K+W；2)如果“否”：將此時的前綴碼K輸出；將K+W加入字典中；STEP4：判斷輸入流是否結(jié)束；1)如果“是”，就返回到STEP2；2)如果“否”：把當(dāng)前的前綴碼輸出；算法結(jié)束。3聲波測井?dāng)?shù)據(jù)壓縮算法的系統(tǒng)實現(xiàn)圖4是聲波測井?dāng)?shù)據(jù)壓縮系統(tǒng)實現(xiàn)的示意圖，首先在下位機(jī)（OK6410開發(fā)板）端啟動服務(wù)程序，將采集到的聲波測井?dāng)?shù)據(jù)在目標(biāo)板（OK6410）上進(jìn)行壓縮編碼處理，完成并等待上位機(jī)端發(fā)出的連接請求。當(dāng)上位機(jī)端接收到下位機(jī)端的請求后，下位機(jī)端處理此請求，與上位機(jī)端

14、相連接，采用基于TCP/IP傳輸協(xié)議實現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)流的功能。上位機(jī)接收下位機(jī)傳來的壓縮數(shù)據(jù)，存儲這些數(shù)據(jù)，并解壓分析。圖4系統(tǒng)實現(xiàn)示意圖3.1數(shù)據(jù)壓縮模塊實現(xiàn)壓縮模塊的算法采用基于MED預(yù)測的LZW壓縮，將編寫的數(shù)據(jù)壓縮程序燒寫到開發(fā)板OK6410中進(jìn)行聲波數(shù)據(jù)壓縮。原始的聲波采樣數(shù)據(jù)經(jīng)過MED預(yù)測模型預(yù)測后，將預(yù)測誤差作為壓縮對象進(jìn)行壓縮，這樣進(jìn)一步減少了數(shù)據(jù)間冗余，達(dá)到更好的壓縮效果。3.2通信模塊實現(xiàn)Socket是最常用的基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信方式，這種方式通過TCP或UDP實現(xiàn)不同電腦的進(jìn)程間的網(wǎng)絡(luò)連接和相互通信，Linux系統(tǒng)也提供對Socket通信的支持8。本文采用Socke

15、t通信方式用于上位機(jī)和下位機(jī)之間的通信，通信流程圖如圖5所示9。圖5 上位機(jī)和下位機(jī)通信流程圖整個通信具體實現(xiàn)步驟如下：下位機(jī)（OK6410開發(fā)板）先用socket()函數(shù)建立一個Socket，系統(tǒng)分配Socket套接字和下位機(jī)IP地址進(jìn)行配置，使用bind()函數(shù)將套接字和IP相聯(lián)系，然后通過listen()函數(shù)建立監(jiān)聽，監(jiān)測是否有上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送指令，假如有則獲得此指令，將其放入接收隊列中，并使用accept()函數(shù)接收此指令，向上位機(jī)發(fā)出連接確認(rèn)通知。上位機(jī)（工控機(jī)）一側(cè)同樣使用Socket()和bind()建立Socket并對其配置，調(diào)用connect()函數(shù)和下位機(jī)建立通信連接，接

16、收下位機(jī)的連接確認(rèn)通知。通信連接建立后，上位機(jī)與下位機(jī)都使用send()和recv()函數(shù)來收發(fā)壓縮后的聲波數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸完成后，上位機(jī)與下位機(jī)都使用close()函數(shù)關(guān)閉套接字并中斷連接。4系統(tǒng)測試與分析系統(tǒng)測試過程如下：利用NFS在上位機(jī)上建立基于NFS的根文件系統(tǒng)，將經(jīng)過交叉編譯后的數(shù)據(jù)壓縮程序掛載到開發(fā)板OK6410的Linux系統(tǒng)上。上位機(jī)向下位機(jī)傳送原始的聲波測井?dāng)?shù)據(jù)，下位機(jī)接收數(shù)據(jù)并執(zhí)行壓縮，壓縮后的數(shù)據(jù)回傳至上位機(jī)進(jìn)行解壓恢復(fù)。圖6為未經(jīng)壓縮的原始聲波測井?dāng)?shù)據(jù)的部分信號波形圖。圖6 聲波測井?dāng)?shù)據(jù)信號波形圖針對本文所使用的數(shù)據(jù)壓縮算法，選取了幾組不同數(shù)據(jù)量大小的聲波數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)測

17、試。選擇壓縮比對壓縮算法的壓縮性能進(jìn)行評價，壓縮比R的定義為：(2)表1為對4組數(shù)據(jù)分別進(jìn)行LZW壓縮和基于MED預(yù)測的LZW壓縮的測試結(jié)果。表1測試結(jié)果原始數(shù)據(jù)(KB)LZW壓縮(KB)MED+LZW(KB)241108685042321527953652361506692460從表1可以看出， LZW算法和基于MED預(yù)測的LZW對聲波測井?dāng)?shù)據(jù)都有一定的壓縮效率，而基于MED預(yù)測的LZW的壓縮效果更好。兩種算法壓縮比R的對比如圖7所示：圖7 壓縮比R的對比從圖7可以看出，單獨使用LZW算法壓縮數(shù)據(jù)其壓縮比平均在45%左右，而使用MED預(yù)測后的LZW算法的壓縮比平均在30%左右，壓縮比整體提高

18、了約15%，達(dá)到了更好的壓縮效率。壓縮算法失真度是系統(tǒng)測試的另一個指標(biāo)，上位機(jī)對接收到的下位機(jī)上的壓縮數(shù)據(jù)進(jìn)行解壓縮。圖8所示為其中一組測試數(shù)據(jù)原始值和解壓恢復(fù)值的波形對比。（a）原始聲波信號波形（b）解壓恢復(fù)的波形圖8 原始波形與解壓恢復(fù)的波形圖9中列出了測試時的部分原始數(shù)據(jù)（文件in.txt中的數(shù)據(jù)），以及解壓縮后的相應(yīng)數(shù)據(jù)（文件中的數(shù)據(jù)），將原始數(shù)據(jù)和解壓后的數(shù)據(jù)比對，可以看出解壓縮后的數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)完全吻合。因此基于MED預(yù)測的LZW壓縮算法是一種無損壓縮算法，壓縮數(shù)據(jù)可以無失真的恢復(fù)。圖9原始數(shù)據(jù)與解壓后的數(shù)據(jù)5結(jié)束語本文采用OK6410嵌入式處理器，開發(fā)實現(xiàn)了聲波測井?dāng)?shù)據(jù)壓縮系統(tǒng)，系統(tǒng)實現(xiàn)了聲波測井?dāng)?shù)據(jù)的壓縮、存儲、傳輸以及解壓的全過程。系統(tǒng)將MED預(yù)測方法引入到聲波測井?dāng)?shù)據(jù)的LZW壓縮算法中，壓縮比達(dá)到了30%，較之經(jīng)典的LZW算法，新方法的壓縮比整體提高約15%，并且實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無損壓縮，由此驗證了所開發(fā)的新系統(tǒng)的有效性和可靠性。該系統(tǒng)可以應(yīng)用于存儲式聲波測井儀，延伸此類測井儀的測井深度，從而提升其應(yīng)用價值。參考文獻(xiàn)1王建華.聲波測井技術(shù)綜述J .工程地球物理學(xué)報，2006，3(5)：395-398. 2 伍儉. 基于ARM的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)